LCL高功率合成器的制作方法与工艺

LCL高功率合成器相关申请的交叉引用本申请要求2011年8月31日提交的美国实用专利申请No.13/222,014的优先权，并且要求2010年9月7日提交的美国临时专利申请No.61/380,496的权益。上面专利申请的公开内容通过引用全部并入本申请。技术领域本公开涉及功率放大器以及功率放大器输出的合成器。

背景技术：
这一部分提供与本发明有关的背景信息。这一部分未必是现有技术。多个产业利用合成器来合成放大信号，以增加向负载供应的功率。作为非限定性示例，射频（RF）发生器可以包含多个RF功率放大器。来自RF功率放大器的功率可以被合成器合成并被提供至负载，如等离子体室。所合成的功率驱动等离子体室来制造多种部件，如集成电路、太阳能面板、光盘（CD）、数字多功能（或数字视频）光盘（DVD）等等。在高频（HF）和甚高频（VHF）的频率环境中，合成器可以包括有损铁氧体变压器、传输线、隔离装置等。合成器可以是隔离式的或非隔离式的，例如，威尔金森（Wilkinson）型合成器可以是隔离式合成器或非隔离式合成器。非隔离式变压器的另一示例是在平衡模式下工作的有损铁氧体变压器。隔离式合成器具有输入端，输入端经由例如一个或多个电阻器和/或其它隔离装置彼此隔离。非隔离式合成器具有未彼此隔离的输入端。合成器具有相关参数，例如形状因子、功率密度水平、发热水平、增益匹配误差、相位匹配误差等等。术语“形状因子”指合成器的体积（高度、宽度和深度）和/或合成器的包络。术语“功率密度”指合成器每单位面积的功率（例如千瓦）。增益匹配误差和相位匹配误差指合成器和负载之间在负载短路和/或开路时的匹配误差。合成器的特定应用可以具有增益、相位和/或阻抗匹配要求。增益、相位和/或阻抗匹配要求每个均可以包括相关的匹配误差限制。传统合成器的形状因子、复杂度和结构限制了（i）能够使用合成器的应用环境和工作环境以及（ii）合成器的效率、功率输出等。作为示例，功率发生器可能具有功率密度要求和/或专门的最大机壳体积要求（例如最大高度、最大宽度和最大深度要求）。功率发生器可以包括两个或两个以上的功率放大器（PA），以满足所需的功率输出。合成器可以用来合成PA的输出，以提供所需的功率输出。然而，如果合成器和/或PA的形状因子导致功率发生器的总体积超过最大机壳体积，则合成器可能无法使用。此外，典型合成器的结构限制和操作特性可能要求合成偶数个PA。例如，功率发生器的功率输出要求可能需要使用三个PA。由于必须使用偶数个功率放大器，所以包含四个PA。这四个PA是低功率的，以满足所需的功率输出。附加PA的使用增加了尺寸、复杂度、成本、发热量等并且降低了功率发生器的效率和可能的应用环境及工作环境。

技术实现要素：
一种合成器包括N个同轴电缆，每个同轴电缆被配置为与N个射频功率放大器的各自输出端连接，其中N是大于1的整数。所述N个同轴电缆中的每个同轴电缆被配置为从所述N个射频功率放大器中各自的射频功率放大器中接收放大的射频信号。板包括电容，并且被配置为与所述N个同轴电缆中的每个同轴电缆连接并合成射频信号。所述N个同轴电缆和所述电容提供N个电感和电容组合。连接器被配置为将所述板的输出端与负载连接。在其它特征中，提供一种合成器，该合成器包括被配置为与第一射频功率放大器的第一输出端连接的第一同轴电缆。所述第一同轴电缆包括具有第一电感的第一非屏蔽部。第二同轴电缆被配置为与第二射频功率放大器的第二输出端连接。所述第二同轴电缆包括具有第二电感的第二非屏蔽部。板包括第一电容和第二电容。所述第一电容与所述第一非屏蔽部连接，以提供第一电感和电容组合。所述第二电容与所述第二非屏蔽部连接，以提供第二电感和电容组合。所述第二电感和电容组合等于所述第一电感和电容组合。本公开的适用性的其它范围将从具体实施方式、权利要求和附图中变得显而易见。具体实施方式和特定示例仅希望用于说明用途，而不旨在限制本公开的范围。附图说明本发明中介绍的附图仅用于说明所选的实施例，而非用于说明所有可能实现，并且不旨在限制本公开的范围。图1是根据本公开的包含合成器的功率发生器系统的框图；图2是根据本公开的合成器的俯视图；图3是图2的合成器的同轴电缆的通过剖面线A-A的截面图；图4是图2的合成器一部分的电路图；以及图5是根据本公开的示例多路合成器参数表。在附图的几个图中，相应的附图标记表示相应部件。具体实施方式现在将关于附图更全面地描述示例实施例。提供示例实施例，使得本公开将详尽，并且将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。阐述多个特定细节（例如特定部件、特定装置和特定方法的示例），以提供对本公开实施例的透彻理解。将对本领域技术人员而言显而易见的是：不必须采用特定细节，示例实施例可以以多种不同形式体现，并且这两种情况都不应被理解为限制本公开的范围。在一些示例实施例中，未详细描述众所周知的步骤、装置结构和技术。本发明中使用的术语仅用于描述特定示例实施例，而非旨在作为限制。除非上下文清楚地表示别的意义，否则本发明中使用的单数形式“一”、“此”和“该”也可以意在包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“涵盖”和“具有”是包括一切的，因此规定所声明的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。除非特殊地被识别为执行顺序，否则本发明中描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所介绍或所图示的特定顺序执行。还应当理解，可以采用附加步骤或替代步骤。当某个元件或层被称为“位于另一元件或层上”、“与另一元件或层接和”、“与另一元件或层连接”或“与另一元件或层联接”时，其可以“直接位于另一元件或层上”、“直接与另一元件或层接合”、“直接与另一元件或层连接”或“直接与另一元件或层联接”，可以存在中间的元件或层。相比之下，当元件被称为“直接位于另一元件或层上”、“直接与另一元件或层接合”、“直接与另一元件或层连接”或“直接与另一元件或层联接”时，可以不存在中间的元件或层。应当以类似的方式去解释其它用来形容元件之间的关系的词，例如，“位于……之间”与“直接位于……之间”，“相邻”与“直接相邻”等。本发明中使用的术语“和/或”包括相关列出项中的一个或多个项的任一组合和所有组合。尽管本发明中可以使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部分，但这些元件、部件、区域、层和/或部分不应该受这些术语限制。这些术语也许仅用来将一个元件、部件、区域、层或部分与另一元件、部件、区域、层或部分区分开。除非上下文清楚地指示，否则像“第一”、“第二”和其它数字术语这样的术语当其在本发明中使用时不意指序列或顺序。因此，在不背离示例实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、第一部件、第一区域、第一层或第一部分可被称为第二元件、第二部件、第二区域、第二层或第二部分。为了便于描述，本发明中可以使用像“内”、“外”、“在……下面”、“在……下方”、“下”、“在……上方”、“上”等这样的与空间有关的术语，来描述附图中图示的一个元件或特征与别的元件或特征的关系。与空间有关的术语可以旨在涵盖在使用或操作中的装置除附图中示出的方位以外的不同方位。例如，如果附图中的装置是被翻转，那么被描述为在其它元件或者特征“下面”或“下方”的元件会朝向其它元件或特征“上方”。因此，示例术语“在……下面”可以包括上方和下方两种朝向。装置可以朝向别的方向（被旋转90度或位于其它朝向），并且相应地解释本发明中使用的与空间有关的描述词语。在图1中，功率发生器系统10的框图包括合成器12。功率发生器系统10包括输入放大器14、分离器16、第一射频（RF）功率放大器（PA）18、第二射频（RF）功率放大器（PA）20、合成器12和负载22（例如等离子室）。输入放大器14接收和调节RF信号24，来产生调节信号26。输入放大器14可以包括例如前置放大器、驱动器等。分离器16将调节信号26提供至射频功率放大器18、20中每个射频功率放大器。分离器16的输出端可以通过隔离器28彼此隔离。隔离器28可以包括一个或多个电阻器和/或其它隔离装置。射频功率放大器18、20可以是高功率放大器。作为非限制性示例，射频功率放大器18、20每个可以提供大于或等于2.5千瓦（kW）的功率输出。射频功率放大器18、20产生放大输出信号30、32，放大输出信号30、32彼此是同相的（例如每个放大输出信号可以具有0°的相位）。虽然示出两个射频功率放大器，但可以包含多个射频功率放大器，射频功率放大器的数目可以是奇数或偶数。虽然主要关于合成射频功率放大器的输出信号来描述合成器12，但是合成器12可以用来合成其它电路部件的输出信号。合成器12合成射频功率放大器18、20的放大输出信号30和32，以产生功率发生器输出信号34，功率发生器输出信号34被提供至负载22。合成器12不提供射频功率放大器18、20的输出端子38、40之间的隔离。合成器12的输入端42、44可以与射频功率放大器18、20的输出端阻抗匹配。仅例如，射频功率放大器18、20中每个射频功率放大器的输出阻抗和合成器12的输入阻抗每个均可以是50欧姆（Ω）。另外，合成器12的输出阻抗可以与负载22的输入阻抗相匹配。作为另一示例，合成器12的输出阻抗和负载22的输入阻抗每个均可以是50Ω。在图2中，示出图1的合成器12的示例。合成器12包括两个或两个以上同轴电缆50、52（示出2个）。同轴电缆50、52包括：同轴连接器54、56，接地部58、59，电容板60，以及输出连接器62。同轴电缆50、52具有同轴连接器端（第一端）64、66和电容器端（第二端）68、70。同轴连接器54、56（例如c型连接器）与第一端64、66和射频功率放大器的输出端子（例如射频放大器18、20的输出端子38、40）连接。接地部58、59通过夹具72保持，夹具72与地74（例如电路和/或机壳地）连接。夹具72可以称为接地夹具。例如，夹具72可以例如连接至和/或旋紧至RF座（RFdeck），RF座接地或与电压基准连接。夹具72可以是拧紧夹具。第二端68、70与电容板60连接。电容板60与输出连接器62连接，输出连接器62接着可以与负载（例如负载22）连接。现在还参考图3，示出第一同轴电缆50的截面图。第二同轴电缆52可以具有与第一同轴电缆50相同的截面构成。第一同轴电缆50可以具有芯体80（例如导线）、介电绝缘体82、屏蔽套84和护套86（对于第二同轴电缆52，分别标记为80′、82′、84′和86′）。芯体80可以与射频功率放大器18、20之一连接并且接收射频功率放大器18、20之一的输出信号，输出信号可以被合并，以提供输出连接器22处的功率输出信号34。介电绝缘体82将芯体80与屏蔽套84隔离开。屏蔽套84可以是例如丝网，丝网被露出并与电压基准90（例如地线基准）连接。芯体80和屏蔽套84可以由铜或其它导电物质形成。介电绝缘层82和护套86是非导电的，并且可以由塑料和/或其它介电材料形成。同轴电缆50、52中的每个同轴电缆包括四部分：护套部100、屏蔽部102、非屏蔽部104和芯部106。护套部100从同轴连接器54、56延伸至夹具72。屏蔽部102在护套部100和非屏蔽部104之间延伸，由夹具72保持，并且与电压基准90连接。在屏蔽部102中，将同轴电缆50、52的护套86、86′移除，以暴露屏蔽套84、84′。使屏蔽套84、84′暴露来接触夹具72，夹具将屏蔽套84、84′联接至电压基准90。非屏蔽部104从夹具72延伸至芯部106。将护套86、86′和屏蔽套84、84′从非屏蔽部104上移除，以暴露介电绝缘体82、82′。每个非屏蔽部104作为与连接器54、56中各自的连接器串联的线性电感器工作。每个非屏蔽部104的电感基于非屏蔽部104的长度D。长度D可以根据应用来选择。芯部106不包括护套86、86′，屏蔽套84、84′，以及介电绝缘体82、82′。芯部106从非屏蔽部104起延伸并且与电容板60连接。电容板60在输出连接器62处提供旁路电容，以提供所需的阻抗变换。电容板60可以包括任意数目的电容器（例如电容器C1、C2），这些电容器可以并联和/或串联。电容器的第一端122可以与芯部106中的芯体80、80′连接。电容器的第二端124可以与电压基准90连接。电容板60的输出被提供至输出连接器62。同轴电缆50、52可以具有大致相同的尺寸和部长度，并且可以由相同材料构成。例如，护套部100的长度（及其它尺寸）可以相同，屏蔽部102的长度（及其它尺寸）可以相同，非屏蔽部104的长度（及其它尺寸）可以相同，并且芯部106的长度（及其它尺寸）可以相同。这确保了同轴电缆50、52的阻抗和电感大致相同。作为示例，非屏蔽部104的长度可以大致相同（例如长度相等，此长度间的差别不大于±1-3毫米（mm）），这可以将非屏蔽部104的阻抗匹配在例如1Ω内。同轴电缆50、52相对于第二端68、70有效地并联。结果，合成器12的输出阻抗（例如50Ω）等于合成器12的每个电感和电容（LC）组合的阻抗（例如50Ω）。LC组合是由同轴电缆50、52和相应的电容（例如C1、C2）中的每一个提供的。例如，第一LC组合是由第一同轴电缆50的第一非屏蔽部和第一电容C1提供的。第二LC组合是由第二同轴电缆52的第二非屏蔽部和第二电容C2提供的。虽然对于电容C1和C2中的每个电容示出单个电容器，但电容C1和C2中的每个电容可以包括任意数量的电容器。每个LC组合使射频功率放大器18、20之一的输出阻抗增加和/或加倍（例如从50Ω到100Ω）。由于LC组合在电容板60处和/或在输出连接器62处并联，所以合成器12的输出阻抗（例如50Ω）可以近似等于（即匹配）射频功率放大器18、20之一的输出阻抗。也就是说，每个电缆的输出阻抗比每个射频功率放大器18、20的输出阻抗大，或者是每个射频功率放大器18、20的输出阻抗的双倍。然而，合成器12的总输出阻抗可以近似等于每个射频功率放大器18、20的输出阻抗。术语“近似等于”指两个值在彼此的预定范围内和/或彼此相等。作为示例，上述阻抗值可以在彼此的±1-3Ω内。现在还参考图4，示出合成器12一部分的电路图。合成器12是电感器-电容器-电感器（LCL）型合成器。非屏蔽部104的电感由电感器L1和L2表示。电容板60的电容器（例如C1和C2）的总电容由电容器C总表示。电感器L1和L2具有输入端150、152和输出端154、156。电容器C总具有输入端158和输出端160。输入端150、152可以经由护套部100与同轴连接器54、56连接。输出端154、156与电容器C总的第一端158连接。电容器C总的第二端160与电压基准90连接。第二端160还与输出连接器62连接。在图5中，示出示例多路合成器参数表。该多路合成器参数表向多种N路合成器提供合成器参数，合成器参数包括总电容（C总）、非屏蔽部电感L和非屏蔽部长度D，其中N是大于1的整数。在表中，F1-F4是RF频率，TC1-TC10是电容C总的总电容值，l1-110是电感器L1和L2中每个电感器的电感值，D1-D10是长度D的长度值。相对于由N路合成器接收的RF频率的升高，选择的总电容、电感和/或长度值可以减小。多路合成器参数表为在不同频率下工作的2路合成器、3路合成器和4路合成器提供示例参数值。2路合成器指接收和合成来自两个射频功率放大器的两个功率输出的合成器。2路合成器在图1、图2和图4中示出。3路合成器指接收和合成来自三个射频功率放大器的三个功率输出的合成器。4路合成器指接收和合成来自四个射频功率放大器的四个功率输出的合成器。从三个或三个以上射频功率放大器中接收三个或三个以上输出的N路合成器可以包括用于所接收的每个附加射频功率放大器输出的附加的同轴电缆以及相应的电容。例如，3路合成器可以被构造成图2和图4的合成器12，但是包括具有三个同轴电缆的三个LC组合而不是具有两个同轴电缆的两个LC组合。三个同轴电缆可以相对于输出连接器62有效地并联。任意数量的同轴电缆和/或LC组合可以被连接，以提供所需的功率输出。总电容（C总）是电容板的电容或LC组合的电容器（例如C总）的最终电容。非屏蔽部电感L指合成器12的非屏蔽部104中每个非屏蔽部的电感。非屏蔽部104中每个非屏蔽部的电感基于非屏蔽部的长度（例如长度D）。该长度可以根据从射频功率放大器接收的放大RF信号的RF频率来调节。再次参考图2和图4，合成器12的电感（例如L1和L2）通过非屏蔽部104的芯体80、80'来提供。在不包含附加连接器、印刷电路板和附加高功率电感器的情况下提供电感。在一个示例实现中，合成器12用来提供例如50Ω的输入输出阻抗匹配。可以提供输入输出阻抗匹配，使得合成器12的每个输入端以及合成输出端的阻抗都是50Ω，例如在±1Ω内。结果，射频功率放大器18、20的每个输出端与50Ω负载或者合成器12的输入阻抗连接。此外，由于每个同轴电缆50、52的尺寸匹配、结构匹配和材料匹配，所以合成器12提供同轴电缆50、52之间的精确增益和相位匹配（例如±0.1分贝（dB）内的增益和±3°内的相位）。使同轴电缆50、52的相位匹配，以在没有信号消除的情况下合成。合成器12的每个同轴电缆50、52的匹配允许来自射频功率放大器18、20的功率的平衡分担。结果，合成器12的增益匹配误差和相位匹配误差小于传统增益匹配误差和相位匹配误差。例如，传统增益匹配误差和相位匹配误差可以分别是0.5dB和10°，该增益匹配误差和相位匹配误差可能在负载短路或开路时被合成器12的负载放大。上面描述的对RF功率进行合成的合成器具有最小的尺寸和形状因子，并且允许增加的功率密度。由于合成器是由同轴电缆、同轴连接器和电容板构成的，而没有使用机械盒、铁氧体，变压器绕组等，所以合成器的形状因子是最小的。这允许将合成器及相应的射频功率放大器包含到比传统射频功率放大器/合成器系统更小的空间或占用区域中。由于本发明中公开的合成器的结构具有更少的部件并且小于传统的高功率合成器，所以与传统的高功率合成器相比，结构不那么复杂且成本更低。通过更小和更简单，本发明的合成器能够比传统合成器更容易制造。由于上面公开的合成器不包含铁氧体材料和/或铁氧体变压器，所以上面公开的合成器还在工作过程中使RF功率损耗和温度升高最小。由于上面公开的合成器包括最少数量的部件和结构复杂度，所以上面公开的合成器还提供升高的可靠性。为了说明和描述提供对实施例的上述描述。其不旨在是详尽的或者限制本公开。特定实施例的单独元件或特征通常不局限于该特定实施例，而是可在适当时互换并且能够用于选择的实施例，即便在选择的实施例中未具体示出或描述。本发明还可以以多种方式变化。这样的变化不应被视为背离本公开，并且所有这样的修改旨在包含在本公开的范围内。